視覺地形分類和四足機(jī)器人步態(tài)規(guī)劃方法研究與應(yīng)用.pdf

1、自然界中，四足哺乳動(dòng)物在適應(yīng)復(fù)雜地形、運(yùn)動(dòng)靈活性和效率等方面具有巨大的優(yōu)勢(shì)，它們依靠腿足運(yùn)動(dòng)幾乎能在地球上的任何地面上活動(dòng)。而從制造成本、控制難易程度和穩(wěn)定性等方面綜合考慮，四足機(jī)器人是最佳的多足機(jī)器人形式，在非結(jié)構(gòu)環(huán)境下的軍事-民用物質(zhì)運(yùn)輸、野外勘探和探險(xiǎn)、救援救災(zāi)等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。因此，構(gòu)造具有四足哺乳動(dòng)物特性的高性能四足仿生機(jī)器人一直是人類的夢(mèng)想。事實(shí)上，自第二次世界大戰(zhàn)后，美國(guó)國(guó)防預(yù)先研究計(jì)劃局(DARPA)等即開始持續(xù)

2、資助多足機(jī)器人的研究。
　　 四足機(jī)器人與非結(jié)構(gòu)環(huán)境交互過程中，由于地形-地面的多樣性、復(fù)雜性，導(dǎo)致機(jī)器人與地形-地面之間存在有復(fù)雜的交互作用，使得機(jī)器人-地形-地面系統(tǒng)在根本上成為一個(gè)多鏈、動(dòng)基座、變結(jié)構(gòu)、強(qiáng)耦合、欠驅(qū)動(dòng)、具有閉鏈約束和非完整約束的復(fù)雜多體非線性剛?cè)嵯到y(tǒng)。因此有關(guān)四足仿生機(jī)器人大量科學(xué)問題和內(nèi)蘊(yùn)機(jī)理的研究、機(jī)器人基本特性的認(rèn)識(shí)等尚需突破。構(gòu)造具有大負(fù)載能力、高動(dòng)態(tài)性和環(huán)境適應(yīng)性的高性能四足機(jī)器人是當(dāng)前一個(gè)主流的

3、研究方向，圍繞如何提高四足機(jī)器人的環(huán)境適應(yīng)性和運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性，本論文研究了視覺地形特征分類算法、四足機(jī)器人的腿結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和配置方式、四足機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析和步態(tài)規(guī)劃方法，內(nèi)容如下：
　　 (1)為了提高機(jī)器人的地形特征分類能力，首先研究了影響地形分類正確率的兩個(gè)關(guān)鍵問題：視覺地形特征提取方法和不同地形的快速分類方法。在視覺地形特征提取方法中，首先利用MR8濾波器組方法提取出圖像的紋理特征；然后基于聚類方法生成紋理詞典；最后利用空間金字

4、塔匹配方法生成視覺地形圖像的直方圖特征向量。在地形分類算法研究中，基于現(xiàn)有的ELM(Extreme LearningMachine)快速學(xué)習(xí)算法，針對(duì)其存在的缺點(diǎn)，引入了智能優(yōu)化算法(差分進(jìn)化算法和粒子群優(yōu)化算法)和可調(diào)激活函數(shù)的思想，提出了改進(jìn)的ELM-RBF學(xué)習(xí)算法和激活函數(shù)可調(diào)的ELM學(xué)習(xí)算法(稱為TAF-ELM學(xué)習(xí)算法)。結(jié)合地形圖像的特征提取方法和快速的TAF-ELM學(xué)習(xí)算法，將視覺地形分類方法應(yīng)用于機(jī)器人的地形圖像特征分類中

5、，驗(yàn)證了方法的有效性，顯著提高了圖像的分類正確率。
　　 (2)基于馬/騾的腿結(jié)構(gòu)仿生，設(shè)計(jì)了四足機(jī)器人的腿關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)，并利用ADAMS和MATLAB聯(lián)合仿真，給出了較優(yōu)的機(jī)器人腿關(guān)節(jié)配置方式。推導(dǎo)了具有單腿4自由度的四足機(jī)器人的正運(yùn)動(dòng)方程和入地角度可調(diào)的逆運(yùn)動(dòng)學(xué)方程。為提高四足機(jī)器人的動(dòng)態(tài)特性、負(fù)載能力和環(huán)境適應(yīng)性提供了一定的理論基礎(chǔ)。
　　 (3)在總結(jié)四足機(jī)器人基本步態(tài)規(guī)劃方法的基礎(chǔ)上，給出了四足機(jī)器人對(duì)角小跑動(dòng)步態(tài)

6、規(guī)劃方法?；谒茖?dǎo)的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程和動(dòng)步態(tài)規(guī)劃方法，利用仿真和實(shí)驗(yàn)兩種方式驗(yàn)證了四足機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程的正確性和有效性，并利用ADAMS和MATLAB聯(lián)合仿真，研究了入地角度對(duì)四足機(jī)器人運(yùn)動(dòng)性能的影響。
　　 (4)針對(duì)基于模型的步態(tài)規(guī)劃方法建模復(fù)雜、單周期規(guī)劃的缺點(diǎn)，研究了基于中樞模式發(fā)生器(CPG)的生物仿生步態(tài)規(guī)劃方法。在總結(jié)已有的中樞模式發(fā)生器的基礎(chǔ)上，研究了Wilson-Cowan神經(jīng)振蕩器的性質(zhì)，基于該神經(jīng)振蕩器，提出